再生混凝土碳排放评价

2023-12-30邱岗

江苏建材 2023年6期

邱岗

（信阳职业技术学院，河南信阳 464000）

0 引言

随着国家经济的高速发展，基础设施养护维修不断增加，产生大量的废弃混凝土。将废旧混凝土二次利用，即可有效解决建筑垃圾存放问题，又可节约天然砂石等建筑材料的应用[1]，有助于降低建筑行业的碳排放及能源消耗，助推国家实现“双碳”战略目标，对建设资源节约环境友好型社会具有十分重要的意义。

全生命周期分析方法是一种评价产品从出生到死亡整个过程消耗能源及产生温室气体的研究方法，其技术框架包括目标和边界范围、数据清单、评价模型和结果分析[2-3]。文章基于全生命周期方法对实际工程中的再生混凝土生产及运输阶段的碳排放进行了详细的分析，并且分析了再生骨料掺量、天然骨料运输距离及混凝土运输距离对该阶段当量碳排放效益的影响，以期为再生混凝土的节能减排措施和工程决策提供一定参考，有助于推进我国“双碳”战略进程。

1 边界范围及功能单位

计算边界以原材料生产产生的碳排放为起点，将混凝土运输至施工现场产生的碳排放为终点，主要包括原材料生产阶段、原材料运输阶段、混凝土生产阶段以及混凝土运输阶段。

为了量化混凝土生产及运输过程中产生的碳排放以及分析不同因素对该过程混凝土碳排放的影响，文章基于生命周期分析方法研究了1 t 再生混凝土生产及运输过程的当量碳排放总量。

2 数据清单

清单数据收集是分析产品碳排放的基础，由于运输阶段和混凝土生产阶段等工艺环节碳排放的生产依赖于消耗的能源，因此结合《2006年IPCC国家气体清单指南》以及《中国能源统计年鉴》整理了能源使用过程的当量碳排放系数，如表1、2 所示。

表1 能源当量碳排放系数

3 计算模型

3.1 原材料生产阶段

混凝土原材料生产阶段主要包括天然骨料生产、再生骨料生产、外掺剂生产以及水泥生产，该阶段碳排放计算公式见式（1）。

式中：mj为原材料用量；qj为单位材料系数。

以上海某工程为例，计算C30 强度等级的再生混凝土碳排放量，并与相同功能单位下的普通混凝土碳排放量进行对比。普通混凝土的水灰比为0.7，水泥用量为231 kg/m3、粉煤灰用量为54 kg/m3、碎石用量为1 030 kg/m3、矿粉用量为71 kg/m3、细砂用量为793 kg/m3、水为178 kg/m3、减水剂为5.15 kg/m3。设定再生混凝土中粗骨料总量（天然骨料与再生骨料质量之和）保持恒定，掺入再生骨料后，为了保证再生混凝土的强度，水泥用量会逐渐增加。若分析再生骨料掺量为40%、60%、80%、100%的再生混凝土碳排放量，对应的水泥用量依次为239 kg/m3、243 kg/m3、247 kg/m3、251 kg/m3，其余材料用量保持不变。

3.2 原材料运输阶段

原材料运输阶段指原材料从厂家运输至混凝土拌合站的阶段，假定运输车采用9.6 m 重型载货货车(满载17 t)，所用的燃油为柴油，该车的单位运输耗油量为1. 85 L/100 （km·t）。原材料运输距离受周边环境、工程地点及经济水平等影响较大，运输距离存在很大的波动性，案例中天然骨料、矿粉、细砂来自于同一厂家，距离拌合站300 km；水泥、粉煤灰和外掺剂生产厂家距离拌合站30 km；结合清单数据，运输过程中，货车总是满载去空载回，空载能耗以满载能耗的50%计。该阶段碳排放计算公式见式（2）。

式中：mj为材料用量；lj为运输距离；vj单位量单位距离系数。

3.3 混凝土生产阶段

混凝土生产阶段的碳排放来源主要是生产混凝土消耗的能源。基于现场调研数据，每生产1 t混凝土需要消耗0. 519 kg 原煤、2.67×10-3kg 原油与4.31×10-3kg 天然气。结合上述能源清单，计算得出该阶段功能单位下当量碳排放为1.05 kg/t 混凝土，计算公式见式（3）。

式中：nj为能源消耗量；cj为能源碳排放系数。

3.4 混凝土运输阶段

混凝土运输阶段指混凝土从混凝土拌合站运输至施工现场的阶段，预拌混凝土采用搅拌车运输，主要燃油为柴油，搅拌车平均运输油耗为0.1 L/（t·km），案例中拌合站到施工现场距离7 km。运输过程中，搅拌车总是满载去空载回，空载能耗以满载能耗的50%计。结合上述能源清单，计算得出该阶段功能单位下当量碳排放为2.688 kg/t 混凝土，计算公式见式（4）。

式中：gj为能源消耗量单位距离系数；nj为能源消耗量；Lj为运输距离。

总的碳排放量为上述四个阶段碳排放之和。

4 再生混凝土建设期间碳排放评价

4.1 单位再生混凝土当量碳排放

根据内容2 中的能源清单和内容3 中的材料用量碳排放计算模型，再生混凝土建设期间不同工艺活动的碳排放分布如图1 所示。根据上述计算结果可知，在边界条件下，普通混凝土功能单位下当量碳排放总量为122.8 kg，而掺量为40%再生骨料的再生混凝土功能单位下当量碳排放总量为120.2 kg，碳排放排放量下降幅度为2.3%。从图1 中可以看出，无论是普通混凝土还是再生混凝土，原材料生产阶段和运输阶段的碳排放占比最高，占比之和分别为98%、97%。与普通混凝土相比，再生混凝土材料运输阶段碳排放比例下降，材料生产阶段的碳排放比例上升。这是由于再生骨料掺入混凝土中，降低了对天然骨料的使用量，减少了材料运输阶段的碳排放；由于再生骨料强度低于天然骨料，为了保证再生混凝土的强度，再生混凝土中的水泥用量不断增加，原材料中水泥的碳排放因子较高，从而增加了材料生产阶段的碳排放。

图1 再生混凝土建设期间不同工艺活动的碳排放分布

图2 详细分析了材料生产阶段各个原材料的碳排放分布比例。从图2 可以看出，水泥的碳排放比例占比最高，达到94%，其次是矿粉。这主要是由于水泥的碳排放因子远远高于其他原材料的碳排放因子。因此降低水泥的碳排放系数是减低整个过程碳排放量的有效手段。

图2 再生混凝土原材料生产阶段不同工艺活动的碳排放分布

4.2 再生骨料掺量对碳排放结果的影响

图3 为案例条件下不同再生骨料掺量下再生混凝土的碳排放演变规律。从图3 可以看出随着再生骨料掺量的增加，再生混凝土的碳排放总量逐渐降低。虽然再生骨料掺量增加必然导致水泥用量的增加，进而导致再生混凝土碳排放总量增加，但是再生骨料掺量增加必然降低天然骨料的用量，当运输距离远时，必然会降低较多的碳排放。

图3 再生骨料掺量对再生混凝土建设期间碳排放总量影响规律

在案例的运输距离条件下，显然天然骨料用量减少降低的碳排放对总排放的贡献度显然高于水泥用量增加提高的碳排放，因此，再生骨料用量越多，再生混凝土的碳排放总量越低。

4.3 天然骨料运输距离对碳排放结果的影响

从上述分析可以看出，天然骨料的运输距离对再生混凝土的碳排放影响很大，图4 为案例条件下天然骨料运输距离与再生混凝土的碳排放的对应关系。

图4 天然骨料运输距离对再生混凝土建设期间碳排放总量影响规律

从图4 中可以看出，当运输距离低于某一值时，再生混凝土的碳排放总量高于普通混凝土，超过该值后，再生混凝土的碳排放总量低于普通混凝土。从图4 中数据可知，当天然骨料运输距离大于272 km，再生混凝土的碳排放总量高于普通混凝土，达到节能减排的效果。运输距离越大，与普通混凝土相比，再生混凝土碳排放减低幅度越大。因此，当天然骨料运输距离超过某一值时，提高再生骨料的掺量，有助于降低再生混凝土的碳排放总量。

4.4 混凝土运输距离对碳排放结果的影响

在实际施工过程中，由于混凝土的离析性，施工单位多会考虑混凝土拌合站与施工现场的距离，图5 呈现了混凝土运输距离对再生混凝土建设期间碳排放总量的影响规律。从图5 可以看出，再生混凝土建设期间碳排放总量随着混凝土运输距离的增加而增加，且增加幅度与再生骨料掺量关系不大，这是由于再生骨料掺量的变化不影响混凝土从拌合站运输至施工现场释放的碳排放量。因此，尽可能缩短拌合楼与施工现场的距离有助于降低再生混凝土建设过程的碳排放量。